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¿Aluminio transparente?
Científicos estadounidenses desarrollaron una novedosa técnica para fabricar buenas cantidades de vidrio a partir del aluminio. En efecto, Anatoly Rosenflanz y sus colegas de la firma 3M en Minnesota utilizaron una técnica para alear óxido de aluminio con óxidos metálicos de tierras raras para producir vidrios resistentes y con buenas propiedades ópticas.
El método evita muchos de los problemas encontrados en la formación convencional de vidrio y podría, dice el equipo investigador, y podría extenderse hacia otros óxidos (A Rosenflanz et al. 2004, Nature 430-761).El cristal se forma cuando un material fundido se enfría tan rápido que sus átomos constitutivos no tienen tiempo de alinearse en una estructura ordenada. Sin embargo, es difícil hacer vidrio a partir de la mayoría de los materiales, debido a que necesitarían ser enfriados —o apagados— a velocidades de hasta diez millones de grados por segundo.El sílice es ampliamente utilizado para hacer vidrio porque su velocidad de enfriado es mucho más lenta. Pero los investigadores querrían poder hacer vidrio a partir del óxido de aluminio, o alúmina, debido a que tiene propiedades mecánicas y ópticas superiores. La alúmina puede formar vidrio si se la combina con calcio o con óxidos de tierras raras, pero la velocidad de enfriado requerida puede ser tan alta como 1000 grados por segundo, lo que hace difícil producir grandes cantidades.Rosenflanz y sus colegas comenzaron mezclando 80% molar de alúmina en polvo con diversos óxidos de tierras raras, incluidos lantanio, gadolinium y itrio.
Luego, pusieron los polvos en una llama de alta temperatura de hidrógeno y oxígeno, para producir partículas fundidas que a continuación se enfriaban en agua.
Los granos de vidrio resultantes, cuyo tamaño era de menos de 140 micrones de ancho, luego eran tratados con calor, o sinterizados, a unos 1000°C. Esto produjo muestras de buen tamaño en las cuales las fases nanocristalinas ricas en alúmina se dispersaron a través de una matriz vidriosa. Este nuevo método evita la necesidad de aplicar presiones de 1 Gigapascal o mayores, como se requiere en las técnicas preexistentes.
Los científicos de 3M caracterizaron los vidrios con microscopio óptico, microscopio electrónico, difracción de rayos X y análisis térmico, y probaron la fuerza de los materiales con tests de dureza y resistencia a la fractura. Y comprobaron que las muestras eran mucho más fuertes que los vidrios convencionales de sílice y casi tan duras como la alúmina policristalina pura.
Más aún, más del 95 % de los vidrios resultaron ser transparentes y tenían propiedades ópticas atractivas. Por ejemplo, los cerámicos de alúmina completamente cristalizada con óxidos de tierras raras exhibieron altos índices de refracción si los granos se mantenían por debajo de cierto tamaño.
Ojo a este material: Tan resistente como un blindaje, tan ligero como el aluminio y además, es transparente…
Desarrollan en Japón un cristal tan resistente como el acero
Ojo a este material: Tan resistente como un blindaje, tan ligero como el aluminio y además, es transparente…
Ahora solo atiende un momento. ¿Te imaginas un cristal tan duro como un blindaje metálico, una lente para la cámara que se imposible rayar o una pantalla de Smartphone imposible de romper en caso de caída?. Seguro que muchos vosotros estaréis pensando algo así como “¿Qué leches está diciendo este ahora…?. Pues bien, por el momento no se me ha ido la cabeza pero este material del que os hablo además es tan duradero como el aluminio y en masa podría salir bastante barato de producir.
Bueno pues ahora olvida todo porque no es cristal, se llama espinela cerámica y es algo con lo que el Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos (NRL) ha estado investigando durante los últimos 10 años.
Según la RAE, la espinela es una piedra fina, parecida por su color rojo al rubí, compuesta de alúmina y magnesio, teñida por óxido de hierro y cristalizada que se emplea en joyería. La ventaja de este material es que es mucho más duro, más fuerte y más resistente que el vidrio. Este material proporciona la máxima protección en los ambientes más hostiles y además es más ligero.
NRL ha inventado una nueva forma de hacer espinela transparente, utilizando una prensa caliente. Es un proceso limitado sólo por el tamaño de la prensa. Espinela puede ser extraído como una piedra preciosa o puede ser sintetizado gracias a su propio polvo.
Además de su bajo peso y su resistencia, este material tiene propiedades ópticas únicas ya que no sólo se puede ver a través de él, sino que permite que la luz infrarroja lo atraviese.
La espinela de NRL nace como un material policristalino creado gracias a una gran cantidad de partículas de cristal prensadas y unidas.
Hay una enorme cantidad de aplicaciones y como no, en la industria del automóvil no nos íbamos a quedar a un lado. Los militares en particular puede que quieran usar la espinela como una armadura transparente para vehículos y pantallas y en la industria del automóvil se puede usar para lunas o ventanillas así como blindajes o para pantallas del habitáculo y como no, para proteger los elementos láser o los radares de los vehículos con sistemas semiautónomos. Esta clase de sistemas necesitan la más absoluta de las purezas en la óptica porque cualquier imperfección en el material protector puede redundar en fallos o inexactitudes en el funcionamiento.
Al igual que el Gorilla Glass, este material ofrece una reducción de peso del 75% respecto a otros materiales actualmente empleados en la industria.
Alúmina
La alúmina es el óxido de aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el componente más importante en la constitución de las arcillas y los esmaltes, confiriéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración.
El óxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindón y de esmeril.
Tiene la particularidad de ser más duro que el aluminio y el punto de fusión de la alúmina son 2072 grados Celsius (2345,2 K) frente a los 660 grados Celsius (933,2 K) del aluminio, por lo que su soldadura debe hacerse a corriente alterna.
Casi, casi, casi, un cristal irrompible. Ese es el descubrimiento del Institute of Industrial Science de la University of Tokyo, una noticia tremendamente atractiva por lo que puede suponer en nuestras vidas contar con un cristal duro como el acero.
Este vidrio está compuesto por dióxido de silicio y óxido de aluminio (alúmina), que es lo que le da resistencia, pero al tiempo se hace muy complicado crear cristal con un alto contenido de alúmina puesto que su óxido cristaliza al contacto con el contenedor.
La solución del equipo del Institute of Industrial Science pasa por el "containerless processing", esto es, un proceso sin contenedor. Los científicos utilizan gas para empujar los componentes químicos en el aire y sintetizarlos para formar vidrio.
El cristal que se obtiene, cuya mitad está compuesto por alúmina, es transparente e incoloro, pero sobre todo extremadamente resistente.
Proyect Phire, la pantalla más dura que el zafiro
El módulo de Young, una prueba que se realiza para comprobar la elasticidad de un material arrojó unos datos significativos: el doble que otros vidrios y a un nivel cercano al hierro y el acero.
Pese a que inicialmente se ha considerado como un material ideal para vajillas o ventanas, hay una infinidad de productos y ámbitos donde este material sería recibido con los brazos abiertos.
Para redondear la noticia Atsunobu Masuno, profesor asistente del citado Institute of Industrial Science de la University of Tokyo ha asegurado que "Estableceremos un modo de producir en masa este nuevo material en breve. Queremos comercializar la técnica dentro de los próximos cinco años."
Alúmina
Propiedades
Estructura cristalina
Densidad: 3,96-4,05 g/cm³.
Dureza Vickers: 1500-1650 kgf mm².
Módulo de elasticidad: 300-400 GPa.
Proceso de producción
La industria emplea el proceso Bayer para producir alúmina a partir de la bauxita. La alúmina es vital para la producción de aluminio (se requieren aproximadamente dos toneladas de alúmina para producir una tonelada de aluminio).
En el proceso Bayer, la bauxita es lavada, pulverizada y disuelta en sosa cáustica (hidróxido de sodio) a alta presión y temperatura; el líquido resultante contiene una disolución de aluminato de sodio y residuos de bauxita que contienen hierro, silicio, y titanio. Estos residuos se van depositando gradualmente en el fondo del tanque y luego son eliminados. Se los conoce comúnmente como "barro rojo".
La solución de aluminato de sodio clarificada es bombeada dentro de un enorme tanque llamado precipitador. Se añaden finas partículas de alúmina con el fin de inducir la precipitación de partículas de alúmina puras (proceso de siembra), una vez que el líquido se enfría. Las partículas se depositan en el fondo del tanque, se extraen y luego se someten a 1100 grados Celsius (1373,2 K) en un horno o calcinador, a fin de eliminar el agua que contienen, producto de la cristalización. El resultado es un polvo blanco, alúmina pura. La sosa cáustica es devuelta al comienzo del proceso y reutilizada.
Aplicaciones
La industria del aluminio primario utiliza la alúmina fundamentalmente como materia prima básica para la producción del aluminio. Además, la alúmina se utiliza por sus propias cualidades como material cerámico en condiciones de altas temperaturas o buenas propiedades tribológicas, como en:
Aislante térmico y eléctrico para la parte superior de las cubas electrolíticas.
Revestimiento de protección para evitar la oxidación de los ánodos de carbono.
Tiene la capacidad de servir como aislante del procesos de oxidación (es un material inoxidable en revestimiento ).Cabe recalcar que pierde esta capacidad al contacto con otros metales debido a sus componentes ánodos de carbono.
Absorción de las emisiones provenientes de las cubas.
También es utilizada para el secado del aire comprimido ya que tiene la propiedad de absorber el agua.
En el área sanitaria de las prótesis dentales, se utiliza como base de la estructura de coronas y puentes, proporcionando gran dureza y resistencia, con bajo peso y estéticamente da buenos resultados gracias a su color blanco.
En molinos de bolas empleados para preparar esmaltes u otros materiales cerámicos, como bolas de molienda.
En la fabricación de termita mezclada al 50 % con óxido de hierro (II).
Como aislante eléctrico en las bujías de los vehículos de gasolina.
Como abrasivo en muchos procesos industriales de acabado, pulido, mecanizado por ultrasonidos...
Su regeneración (para el caso de la absorción/desorción) es con aire seco y caliente y tiene una temperatura de punto de rocío de −40 grados Celsius (233,2 K).
También protege a los elementos de aluminio de la oxidación, a pesar de que el aluminio es uno de los metales que se oxidan más fácilmente. Esto ocurre porque en la superficie del material se forma una capa de alúmina que protege el interior de la pieza. Esta capa no se desprenderá ni se cuarteará porque el aluminio presenta un índice de Pilling-Bedworth ligeramente superior a 1 (de 1,28).
La forma más común de óxido de aluminio cristalino se conoce como corindón, que constituye la forma termodinámicamente estable. Los aniones oxígeno prácticamente forman una estructura hexagonal compacta con cationes aluminio llenando dos tercios de los intersticios octaédricos. Cada centro de cationes Al3+ es octaédrico. En términos de su cristalografía, el corindón adopta una red trigonal de Bravais con un grupo espacial de R-3c (número 167 en las Tablas Internacionales). La celda primitiva contiene dos unidades de la fórmula de óxido de aluminio.
El óxido de aluminio también existe en otras fases, incluyendo las fases γ y η, la fase monoclínica θ, la fase hexagonal χ, la fase ortorrómbica κ y la fase δ, que puede ser tetragonal o ortorrómbica. Cada uno tiene una estructura y propiedad cristalina únicas. La forma cúbica γ-Al2O3 tiene importantes aplicaciones técnicas. El llamado β-Al2O3 resultó ser NaAl11O17.
El óxido de aluminio fundido cerca del punto de fusión es casi 2/3 tetraédrico (es decir, 2/3 de los cationes de aluminio están rodeados por 4 aniones de oxígeno vecinos), y 1/3 5-coordinado, muy poco (<5 %) del Al-O octaédrico se encuentra presente. Alrededor del 80 % de los aniones de oxígeno son compartidos entre tres o más poliedros de Al-O, y la mayoría de las conexiones interpoliédricas están compartidas en las esquinas, con el restante 10 a 20 % distribuidas en los bordes. El desglose de los octaedros tras la fusión va acompañado de un aumento de volumen relativamente grande (~ 20 %); la densidad del líquido cercana al punto de fusión es de 2,93 g/cm³.
Corindón de Brasil, con tamaño alrededor de 2×3 cm.
Valores en el SI y en condiciones estándar
Propiedades químicas
Propiedades físicas
Identificadores
General
Óxido de aluminio
insoluble
3250 K (2977 °C)
2345 K (2072 °C)
1344-28-1
Al2O3
Trióxido de dialuminio
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